TWI639414B - 電腦斷層掃描影像的對位方法 - Google Patents
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Abstract
本案提出一種電腦斷層掃描影像的對位方法。所述方法是基於疊代演算法而運作。此演算法將傳統物體之二維投影影像匹配演算問題簡化為兩個一維投影匹配問題，使得原本複雜的電腦斷層掃描影像對位處理，變得更加快速而可靠，且可以大幅降低斷層攝影與數據處理設備的硬體需求，因此也更加容易地應用於實驗室級X-光或是電子斷層攝影等其他三維電腦斷層掃描技術。
Description
本發明是關於一種電腦斷層掃描影像的對位方法。
三維電腦斷層掃描在醫學與材料結構檢測上都有相當廣泛的應用。目前利用電腦斷層掃描技術重建三維影像的方法，是透過擷取在不同方向的樣品投影影像並利用三維影像重建演算法獲得。然而三維影像重建的精確度，與這些投影影像的空間位置定位精確度息息相關。隨著成像技術空間解析度的提升，當解析度達到奈米等級時，樣品移動載台的精確度已難以達到準確定位的需求。此時影像對位演算法的輔助，就顯得相當重要。雖然透過靈敏的感測與精確的回饋系統，可以修正樣品移動載台在每個旋轉角度的微小機械誤差。但常規式的機械校準程序相當複雜且耗時。此外，由於在影像擷取時，樣品或系統被偵測光源照射所產生的熱效應，也可能造成影像無法預期的漂移。這總綜合性的影像定位誤差，是機械式校準法所無法解決的問題。
在傳統上，可藉由設置一標定物於待測物上或設置在待測物附近，以作為影像對位的基準點。這種額外在待測物添加標定物的方法，所獲取的影像一般可以通過手動或自動粒子追踪（particle tracking）演算法來進行精確的影像對位。然而，手動對位方法相當耗費人力與時間，且額外添加的標定物並不總是在期望的位置出現。因此常常造成在選擇有興趣的待測物觀測區時造成困擾。
因此，專家們提出了相當多種無標定物的影像自動對位算法來解決這些問題人們還提出另一些演算法，但有些演算法並沒有考量與修正物體旋轉時實際運動關係的機制，有些演算法則是在轉動偏移的校正所採用的方法並不是很精確。有些演算法則是其演算法太複雜，傳統的演算法的最大問題是需大量的統計與運算，如此將會大幅提高運算時所需的硬體規格，也因而限制了電腦斷層掃描數據處理的效率。
有鑑於此，本發明提出一種電腦斷層掃描影像的對位方法。
在一實施例中，一種電腦斷層掃描影像的對位方法包含：步驟(a)擷取一物體相對於一旋轉軸旋轉之一第一角度於一XY平面上的一第一XY投影強度影像；步驟(b)擷取該物體相對於該旋轉軸旋轉之一第二角度於該XY平面上的一第二XY投影強度影像；步驟(c)沿著X軸方向對該第一XY投影強度影像進行一積分運算，以計算該物體於該第一角度下之一第一強度分布；步驟(d)沿著X軸方向對該第二XY投影強度影像進行該積分運算，以計算該物體於該第二角度下之一第二強度分布；步驟(e)比較該第一強度分布與該第二強度分布是否相同；步驟(f)當該第一強度分布與該第二強度分布不相同時，沿Z軸方向旋轉且沿Y軸方向移動該第一XY投影強度影像而得到一第一XY投影強度修正影像，以及沿Z軸方向旋轉且沿Y軸方向移動該第二XY投影強度影像而得到一第二XY投影強度修正影像；步驟(g)沿著X軸方向對該第一XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該第一角度下之一第一強度修正分布，且沿著X軸方向對該第二XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該第二角度下之一第二強度修正分布；步驟(h)比較該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值；步驟(i)當該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值大於一第一預設值時，重複步驟(f)至步驟(h)直到該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值小於該第一預設值，當該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值小於該第一預設值時，定義該第一強度修正分布或該第二強度修正分布為一初始強度基準分布；步驟(j)以一預設角度間隔擷取該物體相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下於該XY平面上的一第三XY投影強度影像；步驟(k)沿著X軸方向對該物體於該各角度下之該第三XY投影強度影像進行該積分運算，以計算該物體於該各角度下之一第三強度分布；步驟(l)沿著Z軸方向旋轉該物體於該各角度下之該第三XY投影強度影像，以產生該物體於該各角度下之複數第三XY投影強度修正影像；步驟(m)沿著X軸方向對該物體於該各角度下之該些第三XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該各角度下的複數第三強度修正分布；步驟(n)計算該第三強度分布及該些第三強度修正分布中與該初始強度基準分布差異最小之一第一最小差異強度分布；步驟(o)計算該物體於該各角度下之該第一最小差異強度分布之平均以產生一第一平均強度基準分布；步驟(p)計算該物體於該各角度下之該第三強度分布與該些第三強度修正分布中與該第一平均強度基準分布差異最小之一第二最小差異強度分布；步驟(q)計算該物體於該各角度下之該第二最小差異強度分布之平均以產生一第二平均強度基準分布；步驟(r)判斷該第一平均強度基準分布與該第二平均強度基準分布之間的差異值是否小於一第二預設值；步驟(s)當該第一平均強度基準分布與該第二平均強度基準分布之間的差異值小於該第二預設值時，校正該物體於該各角度下之該第二最小差異強度分布所對應的該第三XY投影強度影像或該第三XY投影強度修正影像於X軸方向上的偏移量，以產生電腦斷層掃描影像。
圖1為應用本發明之電腦斷層掃描影像的對位方法之電腦斷層掃描裝置1之示意圖。圖2為一參考座標系統之一示意圖。請合併參照圖1及圖2，電腦斷層掃描裝置1包含光源發射單元11、數據接收單元12及處理單元13。處理單元13耦接於數據接收單元12。在一實施例中，處理單元13可設置在數據接收單元12。
在進行電腦斷層掃描時，光源發射單元11及數據接收單元12與物體20之間能相對地轉動，例如，物體20為固定不動而光源發射單元11及數據接收單元12相對於物體20轉動，或是光源發射單元11及數據接收單元12為固定不動而物體20相對於光源發射單元11及數據接收單元12轉動。以下以光源發射單元11及數據接收單元12為固定不動而物體20相對於光源發射單元11及數據接收單元12轉動為例進行說明。其中，圖1係以物體20為人體為例，然本發明不以此為限，物體20亦可為物品、動物等。
光源發射單元11能沿著Z軸方向朝向物體20發射X射線，物體20沿著旋轉軸旋轉，數據接收單元12接收通過物體20之X射線而取得物體20於XY平面上之投影強度影像，處理單元13再根據物體20之投影強度影像以預先設計之程式碼進行運算，進而產生電腦斷層掃描影像。基此，電腦斷層掃描裝置10會進行一第一校正程序及一第二校正程序。在第一校正程序中，電腦斷層掃描裝置10基於共線（common-line）演算法之概念進行一疊代演算程序，藉由第一校正程序能校正物體20、光源發射單元11及數據接收單元12之間因物體20轉動而造成投影強度影像之偏移，包含在垂直方向（Y軸方向）上之平移偏移量以及在XY平面上相對於Y軸方向之一偏移角度ϕ。再者，在第二校正程序中，電腦斷層掃描裝置10使用投影匹配之概念進行另一疊代演算程序，藉由第二校正程序能校正物體20、光源發射單元11及數據接收單元12之間因轉動而造成在水平方向（X軸方向）上之平移偏移量。以下以各步驟詳細說明電腦斷層掃描裝置10之運作。
圖3A及圖3B為根據本發明之電腦斷層掃描影像的對位方法之一實施例之流程圖。圖4A至圖4C及圖5A至圖5C係為部分之第一校正程序之示意圖。請合併參照圖1至圖3A-3B、圖4A至圖4C以及圖5A至圖5C。首先，將物體20相對於旋轉軸旋轉一第一角度，並擷取物體20相對於旋轉軸旋轉第一角度後於XY平面上的XY投影強度影像（以下稱為第一XY投影強度影像）（步驟S01）。接著，將物體20相對於旋轉軸旋轉一第二角度，並擷取物體20相對於旋轉軸旋轉第二角度後於XY平面上的XY投影強度影像（以下稱為第二XY投影強度影像）（步驟S02）。前述之第一角度及第二角度可為0度至180度之範圍間之任意角度且第一角度不相同於第二角度，例如第一角度與第二角度可分別為19度及87度，或者第一角度與第二角度亦可分別為0度及90。如圖4A所示，圖4A示例出物體20相對於旋轉軸r1旋轉0度之第一角度θ1後於XY平面上形成第一XY投影強度影像31；並且，如圖5A所示，圖5A示例出物體20相對於旋轉軸r2旋轉90度之第二角度θ2後於XY平面上形成第二XY投影強度影像32。
接著，處理單元13對第一XY投影強度影像31及第二XY投影強度影像32進行一積分運算。如圖4B所示，處理單元13沿著X軸方向對第一XY投影強度影像31進行前述之積分運算，處理單元13計算出物體20於第一角度θ1下之一第一強度分布41（步驟S03），並沿著X軸方向對第二XY投影強度影像32進行相同之積分運算，如圖5B所示，處理單元13計算出物體20於第二角度θ2下之第二強度分布42（步驟S04）。處理單元13比較第一強度分布41與第二強度分布42，以判斷第一強度分布41與第二強度分布是否相同（步驟S05）。當第一強度分布41與第二強度分布42不相同（判斷結果為「否」）時，如圖4C所示，沿著Z軸方向在一預設角度範圍內旋轉第一XY投影強度影像31且沿著Y軸方向在一預設平移距離範圍內移動第一XY投影強度影像31而得到旋轉及/或平移後之第一XY投影強度修正影像31’（步驟S06），並且，如圖5C所示，沿著Z軸方向在前述之預設角度範圍內旋轉第二XY投影強度影像32且沿Y軸方向在前述之預設平移距離範圍內移動第二XY投影強度影像32而得到旋轉及/或平移後之第二XY投影強度修正影像32’（步驟S07）。
處理單元13接著沿著X軸方向對第一XY投影強度修正影像31’進行前述之積分運算，並沿著X軸方向對第二XY投影強度修正影像32’進行前述之積分運算，以計算物體20於第一角度θ1下相應於第一XY投影強度修正影像31’之一第一強度修正分布41’以及物體20於第二角度θ2下相應於第二XY投影強度修正影像32’之第二強度修正分布42’。處理單元13比較第一強度修正分布41’及第二強度修正分布42’之差異值，以判斷第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’之差異值是否小於一預設值（以下稱為第一預設值）（步驟S08），當第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’之差異值大於第一預設值時，例如圖6A所示例之第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’，處理單元13重複執行步驟S06至步驟S08，也就是沿著Y軸方向在前述之預設平移距離範圍內來回平移第一XY投影強度影像31及第二XY投影強度影像32且沿著Z軸方向在前述之預設角度範圍內來回旋轉第一XY投影強度影像31及第二XY投影強度影像32，直到處理單元13重新計算所得之第一XY投影強度修正影像31’及第二XY投影強度修正影像32’所對應的第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’之間之差異值小於第一預設值，例如圖6B所示例之第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’。當第一強度修正分布41’與第二強度修正分布42’之差異值小於第一預設值時，定義第一強度修正分布41’或第二強度修正分布42’為一初始強度基準分布（步驟S09）。
接著，以一預設角度間隔擷取物體20相對於旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下於XY平面上的一XY投影強度影像（為方便描述，以下稱為第三XY投影強度影像）（步驟S10）。舉例來說，前述之預設角度間隔可為1度，以1度之預設角度間隔旋轉物體20並對物體20進行投影會得到181組第三XY投影強度影像，也就是物體20相對於旋轉軸旋轉0度、1度、2度、…至180度下每一角度中之一第三XY投影強度影像。接著，沿著X軸方向對物體20於前述之各角度下之第三XY投影強度影像進行前述之積分運算，以計算物體20於前述之各角度下之一強度分布（以下稱為第三強度分布）（步驟S11）。以前述之第三XY投影強度影像一共有181組為例，在執行步驟S11之後，處理單元13會計算出181組第三強度分布中之每一第三強度分布所一對一對應之一第三強度分布。
接著，沿著Z軸方向在前述之預設角度範圍內旋轉第三XY投影強度影像，以產生物體20於0度至180度之範圍間於各角度下之複數第三XY投影強度修正影像（步驟S12）。以第三XY投影強度影像一共有181組為例，若預設角度範圍為0度至180度且每旋轉一度產生一組第三XY投影強度修正影像，在執行步驟S12之後，會得到181組第三XY投影強度影像中每一者於旋轉後之181組第三XY投影強度修正影像；同樣地，沿著X軸方向對物體20於各角度下之複數第三XY投影強度修正影像進行前述之積分運算，處理單元13計算出物體20於各角度下的複數第三強度修正分布（步驟S13），每一強度修正分布係一對一對應於每一第三XY投影強度修正影像。
處理單元13接著再計算第三強度分布及第三強度修正分布中與初始強度基準分布差異最小之一第一最小差異強度分布（步驟S14）。換言之，第一最小差異強度分布係選自第三強度分布及第三強度修正分布中之一，且最小差異強度分布係在第三強度分布及第三強度修正分布中最接近於初始強度基準分布之一者。於是，在0度至180度之範圍中，處理單元13會計算出181組第一最小差異強度分布。處理單元13接著計算181組第一最小差異強度分布之平均，以產生一第一平均強度基準分布（步驟S15）；在計算出第一平均強度基準分布之後，處理單元13計算物體20於各角度下之第三強度分布與第三強度修正分布中與第一平均強度基準分布差異最小之一第二最小差異強度分布（步驟S16），以進行一疊代演算程序。同樣地，前述之第二最小差異強度分布亦是選自於第三強度分布及第三強度修正分布中之一，且第二最小差異強度分布係在第三強度分布及第三強度修正分布中最接近第一平均強度基準分布之一者。於是，在0度至180度之範圍中，處理單元13會計算出181組第二最小差異強度分布。處理單元13接著計算181組第二最小差異強度分布之平均，以產生一第二平均強度基準分布（步驟S17）。
處理單元13判斷第一平均強度基準分布與第二平均強度基準分布之間的差異值是否小於一預設值（以下稱為第二預設值）（步驟S18）。當第一平均強度基準分布與第二平均強度基準分布之間的差異值小於第二預設值時（判斷結果為「是」），表示平均強度基準分布已收斂，此時則完成第一校正程序，也就是物體20的投影強度影像於Y軸方向上的平移偏移量及偏移角度ϕ已完成校正，接著電腦斷層掃描裝置10進行第二校正程序，處理單元13校正物體20於前述之0度至180度中之各角度下之第二最小差異強度分布所對應的第三XY投影強度影像或第三XY投影強度修正影像於X軸方向上的平移偏移量（步驟S19），以產生電腦斷層掃描影像。
在一實施例中，在步驟S14中，處理單元13可以互相關演算法沿著Y軸方向在一預設垂直距離範圍內對位第三強度分布與初始強度基準分布，並對位第三強度修正分布與初始強度基準分布，以計算出各角度下之第一最小差異強度分布。前述之預設垂直距離範圍可為電腦斷層掃描裝置10之系統的最大可能誤差值。
在一實施例中，當第一平均強度基準分布與第二平均強度基準分布之間的差異值大於第二預設值時（判斷結果為「否」），表示平均強度基準分布未收斂，此時處理單元13計算物體20於各角度下之第三強度分布與第三強度修正分布中與第二平均強度基準分布差異最小之一小差異強度分布（以下稱為第三最小差異強度分布）（步驟S16），也就是回到步驟S16來進行第一校正程序中之疊代演算程序。同樣地，處理單元13會產生0度至180度之範圍內共181組之第三最小差異強度分布。處理單元13計算物體20於各角度下之第三最小差異強度分布之平均以產生第三平均強度基準分布（步驟S17），處理單元13判斷第二平均強度基準分布與第三平均強度基準分布之間的差異值是否小於第二預設值（步驟S18）。若判斷為「是」則結束疊代演算程序，處理單元13執行步驟S19以校正物體20於0度至180度之各角度下之第三最小差異強度分布所對應的第三XY投影強度影像或第三XY投影強度修正影像於X軸方向上的平移偏移量；若判斷為「否」，可重複地執行步驟S16至步驟S18，直到處理單元13在步驟S18中判斷出在步驟S17中連續兩次計算出的平均強度基準分布之間之差異值小於第二預設值，始結束第一校正程序中之疊代演算程序。
在第二校正程序中（即，步驟S19），處理單元13可以互相關（Cross-Correlation）演算法來校正物體20於X軸方向上的平移偏移量。詳細而言，以處理單元13在步驟S18中判斷出第一平均強度基準分布與第二平均強度基準分布之間的差異值小於第二預設值為例，請參照圖7，處理單元13在步驟S19中接著計算物體20相對於旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下之第二最小差異強度分布所對應的第三XY投影強度影像或第三XY投影強度修正影像於Y軸方向上的一預設位置的一強度分布（步驟S190）（以下稱為線剖面強度分布），例如預設位置為30之Y軸座標，處理單元13計算出各角度下一共181組之線剖面強度分布；接著，處理單元13沿著X軸方向以互相關演算法將各角度下的線剖面強度分布彼此進行對位（align）（步驟S191）。在對位時，處理單元13可以物體20旋轉0度下的線剖面強度分布作為對位基礎，再將1度下的線剖面強度分布以互相關演算法對位於0度下的線剖面強度分布，再將2度下的線剖面強度分布以互相關演算法對位於1度下的線剖面強度分布，依此類推，直到處理單元13將180度下的線剖面強度分布以互相關演算法對位於179度下的線剖面強度分布。在將線剖面強度分布彼此對位之後，處理單元13根據0度下的線剖面強度分布及對位後之180組線剖面強度分布一共181組線剖面強度分布以疊代重建演算法進行影像重建，以產生一重建影像（以下稱為第一重建影像）（步驟S192）。基此，處理單元13可根據第一重建影像產生電腦斷層掃描影像（步驟S193）。如圖8所示，圖8係為處理單元13根據為文字模型之物體20之第一重建影像產生之電腦斷層掃描影像。
進一步，在步驟S19中，電腦斷層掃描裝置10可在重建出第一重建影像之後再根據第一重建影像來進一步校正第二最小差異強度分布所對應的第三XY投影強度影像或第三XY投影強度修正影像於水平方向之平移偏移量，以進一步修正物體20於X軸方向之偏移。詳細而言，在重建出第一重建影像之後，如圖9所示，圖9示例出一第一重建影像，處理單元13基於雷登轉換（radon transform）沿著Z軸方向對第一重建影像進行積分運算，且處理單元13以前述之預設角度間隔計算第一重建影像相對於旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下投影於X軸方向上之一強度分布（以下稱為第四強度分布）（步驟S194），以計算出第一重建影像相對於旋轉軸旋轉0度、1度、…至180度下投影於X軸方向上共181組之第四強度分布。接著，處理單元13將各角度下之線剖面強度分布沿著X軸方向一對一對位於各相同角度下之第四強度分布（步驟S195），處理單元13將物體20旋轉於0度下之線剖面強度分布沿著X軸方向對位於第一重建影像旋轉於0度下之第四強度分布，並將物體20旋轉於1度下的線剖面強度分布沿著X軸方向對位於第一重建影像旋轉於1度下的第四強度分布，依此類推，直到處理單元13將物體20旋轉於180度下的線剖面強度分布沿著X軸方向對位於第一重建影像旋轉於180度下的第四強度分布。處理單元13根據對位於181組第四強度分布之181組線剖面強度分布以前述之疊代重建演算法進行影像重建，以產生一重建影像（以下稱為第二重建影像）（步驟S196）。處理單元13再以前述之預設角度間隔計算第二重建影像相對於旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下投影於X軸方向上之一強度分布（以下稱為第五強度分布）（步驟S197），以計算出相應於0度至180度之範圍內之181組第五強度分布。處理單元13判斷第五強度分布與第四強度分布之差異值是否小於一第三預設值（步驟S198），當181組第五強度分布與181組第四強度分布之間的差異值小於第三預設值時，表示在第二程序中所產生之強度分布已收斂，也就是在X軸方向上之平移偏移量已獲得校正。基此，處理單元13可根據第二重建影像產生電腦斷層掃描影像（步驟S199）。
在一實施例中，當處理單元13在步驟S198中判斷出第五強度分布與第四強度分布之差異值大於第三預設值時（判斷結果為「否」），處理單元13將各角度下的線剖面強度分布分別一對一對位於各角度下的第五強度分布（步驟S195），也就是回到步驟S195來執行第二校正程序中之疊代演算程序。接著，處理單元13再根據對位於第五強度分布之線剖面強度分布以疊代重建演算法進行影像重建（步驟S196），以產生一重建影像（以下稱為第三重建影像）。處理單元13再以前述之預設角度間隔計算第三重建影像相對於旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下投影於X軸方向上之一強度分布（以下稱為第六強度分布），以計算出181組第六強度分布，處理單元13再判斷181組第六強度分布與181組第五強度分布之間之差異值是否小於第三預設值（步驟S198），若判斷結果為「是」，處理單元13可根據第三重建影像產生電腦斷層掃描影像（步驟S199），若判斷結果為「否」，可重複地執行步驟S195至步驟S198，直到處理單元13在步驟S198中判斷出前後兩次所計算出的強度分布之間的差異值小於第三預設值，始結束第二校正程序中之疊代演算程序。
請參照圖10，圖10係為處理單元13在第二校正程序中進行前述疊代演算程序後所產生之電腦斷層掃描影像之示意圖。比較圖8與圖10可知，經疊代演算程序產生之電腦斷層掃描影像的清晰度更優於在步驟S193中產生之電腦斷層掃描影像。
請合併參照圖11A至圖11F以及圖12A至圖12C。圖11A及圖11D分別為使用本案之對位方法，由不同角度之方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。圖11B、11C、11E、11F分別為使用傳統之對位方法，由不同角度方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。圖12A為圖11A、11D中沿著剖面線A-A的一切片影像，圖12B、12C為圖11B、11C、11E、11F中沿著剖面線A-A的一切片影像。由圖12A可看出，通過本案之對位方法校正後所重建的3D斷層掃描影像顯示了比傳統之對位演算法校正所獲得的物體重建切面擁有更明確的邊界。圖13為圖12A-12C中於剖面線B-B獲得之線剖面寬度曲線。由圖13可看出利用本案之對位演算法校正後所重建的黃鐵礦的線剖面寬度曲線130明顯變窄，邊緣反應也比利用傳統之對位演算法獲得的線剖面寬度曲線131、132更銳利，顯示了本案提出的對位演算法擁有更精確的對位精確度，以使得重建的3D模型擁有更高的空間分辨率。
在一實施例中，處理單元13在計算強度分布之間之差異時，例如步驟S08、S14、S16、S18、S20、S22、S198，處理單元13可將兩強度分布直接相減，或是藉由比對不同強度分布上之特徵點來計算強度分布之間之差異。再者，處理單元13在計算兩強度分布之間之平均時，例如步驟S15、S17，處理單元13係以互相關演算法先將兩強度分布進行對位，並在兩強度分布對位後再計算兩強度分布上於相同位置之平均強度，以產生兩強度分布之間之平均強度基準分布。
在步驟S190中，前述之預設位置亦可為一預設範圍，處理單元13可計算一預設範圍內的線剖面的積分，例如預設位置可為20至40之間之Y軸座標，以產生表示一預設範圍內的強度分布。
在步驟S192、S196中，處理單元13可根據最大似然估計演算法（Maximum Likelihood Estimation Algorithm；ML-EA）來進行疊代之影像重建。
在一實施例中，以電腦斷層掃描裝置10處理長度及寬度各為512像素數之影像為例，電腦斷層掃描裝置10產生電腦斷層掃描影像的總時間可在250秒至1000秒之間，其處理時間約為傳統的對位演算法的40分之一，使得原本複雜的電腦斷層掃描影像對位處理，變得更加快速。
綜上所述，根據本案之電腦斷層掃描影像的對位方法之一實施例，將傳統三維物體之二維投影影像匹配演算問題簡化為兩個一維投影匹配問題，使得原本複雜的電腦斷層掃描影像對位處理，變得更加快速而可靠。該演算法可以大幅降低斷層攝影與數據處理設備的硬體需求，因此也更加容易地應用於實驗室級X光或是電子斷層攝影等其他3維電腦斷層掃描技術上，且使得重建的三維模型擁有更高的空間分辨率。
雖然本發明已以實施例揭露如上然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之專利申請範圍所界定者為準。
10‧‧‧電腦斷層掃描裝置
11‧‧‧光源發射單元
12‧‧‧數據接收單元
13‧‧‧處理單元
20‧‧‧物體
31‧‧‧第一XY投影強度影像
31’‧‧‧第一XY投影強度修正影像
32‧‧‧第二XY投影強度影像
32’‧‧‧第二XY投影強度修正影像
41‧‧‧第一強度分布
41’‧‧‧第一強度修正分布
42‧‧‧第二強度分布
42’‧‧‧第二強度修正分布
130‧‧‧線剖面寬度曲線
131‧‧‧線剖面寬度曲線
132‧‧‧線剖面寬度曲線
S01-S19‧‧‧步驟
S190-S199‧‧‧步驟
11‧‧‧光源發射單元
12‧‧‧數據接收單元
13‧‧‧處理單元
20‧‧‧物體
31‧‧‧第一XY投影強度影像
31’‧‧‧第一XY投影強度修正影像
32‧‧‧第二XY投影強度影像
32’‧‧‧第二XY投影強度修正影像
41‧‧‧第一強度分布
41’‧‧‧第一強度修正分布
42‧‧‧第二強度分布
42’‧‧‧第二強度修正分布
130‧‧‧線剖面寬度曲線
131‧‧‧線剖面寬度曲線
132‧‧‧線剖面寬度曲線
S01-S19‧‧‧步驟
S190-S199‧‧‧步驟
[圖1] 為應用本發明之電腦斷層掃描影像的對位方法之電腦斷層掃描裝置1之示意圖。 [圖2] 為一參考座標系統之一示意圖。 [圖3A] 為根據本發明之電腦斷層掃描影像的對位方法之一實施例之流程圖。 [圖3B] 為根據本發明之電腦斷層掃描影像的對位方法之一實施例之流程圖。 [圖4A] 為第一XY投影強度影像之一實施例之示意圖。 [圖4B] 為處理單元基於雷登轉換對第一XY投影強度影像進行之積分運算之示意圖。 [圖4C] 為第一XY投影強度修正影像及第一強度修正分布之一實施例之示意圖。 [圖5A] 為第二XY投影強度影像之一實施例之示意圖。 [圖5B] 為處理單元基於雷登轉換對第二XY投影強度影像所進行之積分運算之示意圖。 [圖5C] 為第二XY投影強度修正影像及第一強度修正分布之一實施例之示意圖。 [圖6A] 為第一強度修正分布與第二強度修正分布之一實施例示意圖。 [圖6B] 為第一強度修正分布與第二強度修正分布之另一實施例示意圖。 [圖7] 為圖3A及圖3B之電腦斷層掃描影像的對位方法之一實施態樣之流程圖。 [圖8]為處理單元根據為文字模型之物體之第一重建影像產生之電腦斷層掃描影像。 [圖9] 為處理單元基於雷登轉換沿著Z軸方向對第一重建影像進行積分運算之示意圖。 [圖10] 為根據第二校正程序中進行疊代演算程序後產生之電腦斷層掃描影像之示意圖。 [圖11A] 為使用本案之對位方法，由一角度之方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖11B] 為使用傳統之對位方法，由一角度方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖11C] 為使用傳統之對位方法，由一角度方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖11D] 為使用本案之對位方法，由不同角度之方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖11E] 為使用傳統之一對位方法，由不同角度之方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖11F] 為使用傳統之另一對位方法，由不同角度之方位角觀察之球狀黃鐵礦3D電腦斷層掃描重建影像。 [圖12A] 為圖11A、11D中沿著剖面線A-A的一切片影像。 [圖12B] 為圖11B、11E中沿著剖面線A-A的一切片影像。 [圖12C] 為圖11C、11F中沿著剖面線A-A的一切片影像。 [圖13] 為圖12A-12C中於剖面線B-B獲得之線剖面寬度曲線。
Claims (7)
- 一種電腦斷層掃描影像的對位方法，包含： (a) 擷取一物體相對於一旋轉軸旋轉之一第一角度於一XY平面上的一第一XY投影強度影像； (b) 擷取該物體相對於該旋轉軸旋轉之一第二角度於該XY平面上的一第二XY投影強度影像； (c) 沿著X軸方向對該第一XY投影強度影像進行一積分運算，以計算該物體於該第一角度下之一第一強度分布； (d) 沿著X軸方向對該第二XY投影強度影像進行該積分運算，以計算該物體於該第二角度下之一第二強度分布； (e) 比較該第一強度分布與該第二強度分布是否相同； (f) 當該第一強度分布與該第二強度分布不相同時，沿Z軸方向旋轉且沿Y軸方向移動該第一XY投影強度影像而得到一第一XY投影強度修正影像，以及沿Z軸方向旋轉且沿Y軸方向移動該第二XY投影強度影像而得到一第二XY投影強度修正影像； (g) 沿著X軸方向對該第一XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該第一角度下之一第一強度修正分布，且沿著X軸方向對該第二XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該第二角度下之一第二強度修正分布； (h) 比較該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值； (i) 當該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值大於一第一預設值時，重複步驟(f)至步驟(h)直到該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值小於該第一預設值，當該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值小於該第一預設值時，定義該第一強度修正分布或該第二強度修正分布為一初始強度基準分布； (j) 以一預設角度間隔擷取該物體相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之各角度下於該XY平面上的一第三XY投影強度影像； (k) 沿著X軸方向對該物體於該各角度下之該第三XY投影強度影像進行該積分運算，以計算該物體於該各角度下之一第三強度分布； (l) 沿著Z軸方向旋轉該物體於該各角度下之該第三XY投影強度影像，以產生該物體於該各角度下之複數第三XY投影強度修正影像； (m) 沿著X軸方向對該物體於該各角度下之該些第三XY投影強度修正影像進行該積分運算，以計算該物體於該各角度下的複數第三強度修正分布； (n) 計算該第三強度分布及該些第三強度修正分布中與該初始強度基準分布差異最小之一第一最小差異強度分布； (o) 計算該物體於該各角度下之該第一最小差異強度分布之平均以產生一第一平均強度基準分布； (p) 計算該物體於該各角度下之該第三強度分布與該些第三強度修正分布中與該第一平均強度基準分布差異最小之一第二最小差異強度分布； (q) 計算該物體於該各角度下之該第二最小差異強度分布之平均以產生一第二平均強度基準分布； (r) 判斷該第一平均強度基準分布與該第二平均強度基準分布之間的差異值是否小於一第二預設值；及 (s) 當該第一平均強度基準分布與該第二平均強度基準分布之間的差異值小於該第二預設值時，校正該物體於該各角度下之該第二最小差異強度分布所對應的該第三XY投影強度影像或該第三XY投影強度修正影像於X軸方向上的偏移量，以產生電腦斷層掃描影像。
- 如請求項1所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，更包含： (t) 當該第一平均強度基準分布與該第二平均強度基準分布之間的差異值大於該第二預設值時，計算該物體於該各角度下之該第三強度分布與該些第三強度修正分布中與該第二平均強度基準分布差異最小之一第三最小差異強度分布； (u) 計算該物體於該各角度下之該第三最小差異強度分布之平均以產生一第三平均強度基準分布； (v) 判斷該第二平均強度基準分布與該第三平均強度基準分布之間的差異值是否小於該第二預設值；及 (w) 當該第二平均強度基準分布與該第三平均強度基準分布之間的差異值小於該第二預設值時，校正該物體於該各角度下之該第三最小差異強度分布所對應的該第三XY投影強度影像或該第三XY投影強度修正影像於X軸方向上的偏移量，以產生電腦斷層掃描影像。
- 如請求項1所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，其中該步驟(s)包含： 計算該物體相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之該各角度下之該第二最小差異強度分布所對應的該第三XY投影強度影像或該第三XY投影強度修正影像於Y軸方向上的一預設位置的一線剖面強度分布； 沿著X軸方向以互相關演算法對位該物體於該各角度下的該線剖面強度分布； 根據該物體於該各角度下之對位後之該線剖面強度分布以一疊代重建演算法進行影像重建，以產生一第一重建影像；及 根據該第一重建影像產生電腦斷層掃描影像。
- 如請求項3所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，其中該步驟(s)更包含： 以該預設角度間隔分別沿著Z軸方向對該第一重建影像進行該積分運算，以計算該第一重建影像相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之該各角度下之一第四強度分布； 將該物體於各角度下之該線剖面強度分布分別沿著X軸方向一對一對位於該各相同角度下之該第四強度分布； 根據該物體於該各角度下分別對位於該第四強度分布之該線剖面強度分布以該疊代重建演算法進行影像重建，以產生一第二重建影像； 以該預設角度間隔分別沿著Z軸方向對該第二重建影像進行該積分運算，以計算該第二重建影像相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之該各角度下之一第五強度分布； 判斷該第五強度分布與該第四強度分布之差異值是否小於一第三預設值；及 當該第五強度分布與該第四強度分布之差異值小於該第三預設值時，根據該第二重建影像產生電腦斷層掃描影像。
- 如請求項4所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，其中該步驟(s)更包含： 當該第五強度分布與該第四強度分布之差異值大於該第三預設值時，將該物體於該各角度下之該線剖面強度分布分別沿著X軸方向一對一對位於該各相同角度下之該第五強度分布； 根據該物體於該各角度下分別對位於該第五強度分布之該線剖面強度分布以該疊代重建演算法進行影像重建，以產生一第三重建影像； 以該預設角度間隔分別沿著Z軸方向對該第三重建影像進行該積分運算，以計算該第三重建影像相對於該旋轉軸旋轉0度至180度之該各角度下之一第六強度分布； 判斷該第六強度分布與該第五強度分布之差異值是否小於該第三預設值；及 當該第六強度分布與該第五強度分布之差異值小於該第三預設值時，根據該第三重建影像產生電腦斷層掃描影像。
- 如請求項1所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，其中該步驟(o)包含： 以互相關演算法對位該物體於該各角度下之該第一最小差異強度分布；及 將對位後之該物體於該各角度下之該第一最小差異強度分布於相同位置之一強度值進行平均，以產生該第一平均強度基準分布。
- 如請求項1所述之電腦斷層掃描影像的對位方法，其中在該步驟(h)中：將該第一強度修正分布與該第二強度修正分布直接相減，或是比對該第一強度修正分布與該第二強度修正分布上之特徵點，以比較該第一強度修正分布與該第二強度修正分布之差異值。
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